CN109263633B - 一种行星混联式汽车能量管理控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种行星混联式汽车能量管理控制方法，特别解决爬坡起步过程的动力性和经济性的切换控制方法，属于混合动力汽车控制技术领域，由于驱动电机所能够提供的转矩有限，针对实车应用的控制策略：发动机工作点始终控制在最优工作曲线上会导致车辆动力性不足的问题，本发明方法根据工况不同(需要进行识别)，将发动机分为动力性与经济性控制两种方式，动力性控制时，发动机尽可能多的提供转矩保证车辆动力性；经济性控制时，将发动机控制在最优工作曲线上，提高车辆的燃油经济性。该能量管理控制方法充分考虑到了发动机与驱动电机的性能，弥补了当前被广为采用的发动机最优实车控制策略的不足，提高了车辆的经济性与动力性，且易于实施推广。

Description

一种行星混联式汽车能量管理控制方法

技术领域

本发明属于行星混联式混合动力汽车整车控制策略领域，特别涉及一种大扭矩需求工况下的起步控制策略。

背景技术

混合动力汽车是当前清洁能源汽车的发展主流，既可弥补纯电动汽车续驶里程短的不足，同时相对传统汽车又可大幅减少燃油消耗与尾气排放。混合动力汽车有内燃机、电机等多个动力源，结构复杂，如何同时有效地对多个动力源进行能量管理是发挥混合动力汽车节能环保优势的关键。

行星齿轮结构被广泛应用于混联式混合动力汽车传动系统中，当前行星混联式混合动力汽车实车上采用的能量管理策略为基于规则的能量管理策略。基于规则的能量管理策略主要以发动机为优化对象，由于行星齿轮式混合动力汽车发动机转速、转矩与路载双解耦，可根据发动机MAP图确定一条发动机功率与转速满足一定关系的发动机最优工作曲线，将发动机控制在最优工作曲线上，使其输出功率根据车辆驱动需求功率的变化而变化，从而减小整车的燃油消耗。

在专利《一种混联式混合动力车辆的动力控制方法》(授权公告号为CN102815295B)中，公布了一种基于车速与整车功率需求大小判断车辆所处工作模式的能量管理控制方法，发动机工作时将其控制在最优工作曲线上，整车需求功率小于一定值且动力电池荷电状态大于一定值时，发动机不工作，仅由动力电池提供整车功率需求，而未考虑到若整车大扭矩需求起步时，虽然扭矩需求大但车速很低，因此整车功率需求很小，车辆工作在纯电动模式下，主驱动电机可能会出现不足以提供整车所需扭矩，造成车辆动力性不足的情况。

在专利《一种混联式混合动力客车逻辑门限值控制》(申请公布号为CN107826101A)中，公开了一种混联式混合动力客车逻辑门限值控制策略，根据整车需求转矩的大小及SOC大小确定工作模式，当整车需求转矩大于发动机最大输出转矩时，控制发动机与主驱动电机共同驱动，以保证动力性，但在其他工况下，未制定控制策略使发动机工作在经济性良好的区域内，仅保证车辆动力性的控制策略不能够发挥混合动力汽车节能环保的优势。

发明内容

车辆驱动时，现有行星混联式汽车能量管理策略将发动机控制在最优工作曲线上，由发动机需求功率唯一确定发动机转速，但当车辆大扭矩需求起步时，所需扭矩很大但因车速很低，故整车所需功率很小，由最优工作曲线确定发动机工作点时，发动机会工作在低转速小扭矩范围内，可能会出现主驱动电机不足以提供剩余整车所需转矩的问题，因而导致车辆动力性不足。为解决上述技术问题，本发明提供了一种行星混联式汽车能量管理控制方法，既保证了大扭矩需求起步时的动力性，又保证了整车良好的燃油经济性。

本发明的技术方案是：

1、一种行星混联式汽车能量管理控制方法，包括以下步骤：

第一步，判断车辆所处工况并选取控制方式计算发动机工作点，

1.1：如果车速低于一定阈值(可标定)且加速踏板开度大于一定阈值(可标定)，并且持续一定的时间，则确定车辆处于大扭矩需求起步工况，并且主驱动电机的实际输出转矩不足以提供其所需转矩，则采取第二步中的动力性控制方式计算发动机工作点；

1.2：若上述判断条件不满足，即车辆不处于大扭矩需求起步工况，则采取第三步中的经济性控制方式计算发动机工作点；

第二步，采取动力性控制方式调节发动机工作点，

2.1：首先计算发动机驱动需求功率，发动机驱动需求功率为发动机实际转速与需求扭矩的乘积，车辆开始进入发动机动力性控制模式时，给发动机需求扭矩一定的初始值T_init，并随时间的增加而逐渐增大，从而求得发动机驱动需求功率，再加上给动力电池充电所需功率、摩擦功率与附件所需功率，即为发动机需求功率；

2.2：确定发动机动力性曲线，自变量为发动机需求转速，因变量为发动机需求功率，动力性曲线函数表达式形式如下式所示：

y＝slope*x+b

y为发动机需求功率，x为发动机需求转速，slope为斜率，b为截距；

由两点解得此方程，第一点为发动机怠速时，发动机扭矩为初始扭矩值T_init，第二点为发动机达到2000rpm(可标定，即起步成功后的发动机转速)，发动机扭矩为此转速下发动机能输出的最大扭矩，由发动机转速乘以转矩得到发动机功率，求出两点后，解得上式中的slope 和b；

2.3：将2.1中求得的发动机需求功率，代入2.2中求得的动力性曲线函数表达式，如下式所示，求得发动机需求转速；

2.4：发动机需求扭矩由发动机需求功率除以发动机需求转速得到；

第三步，采取经济性控制方式调节发动机工作在最优工作曲线上，由主驱动电机补充不足的驱动转矩，保证车辆的经济性的同时兼顾动力性，具体包括：

3.1：确定发动机驱动需求功率，由车辆需求转矩乘以车轮轮速得到，再加上给动力电池充电所需功率、摩擦功率与附件所需功率，即为发动机需求功率；

3.2：确定发动机最优工作曲线，确定每个功率下发动机燃油消耗量最小的点对应的转速和转矩，已知发动机需求功率，可唯一确定转速，发动机最优工作曲线为功率与转速的关系曲线；

3.3：将3.1中计算得到的发动机需求功率由3.2中求得的发动机最优工作曲线确定发动机需求转速，进而确定发动机需求扭矩；

第四步，发动机采取扭矩控制方式，为防止发动机扭矩发生突变，在大扭矩需求起步工况下，发动机需求扭矩较大，当车辆起步成功后，将发动机控制在最优工作曲线上时，发动机需求扭矩会骤减，因此需对发动机的需求扭矩进行斜率限制，具体包括：

4.1：若当前时刻的发动机需求扭矩减去上一时刻的发动机需求扭矩小于一定值LL，则当前时刻的发动机需求扭矩为上一时刻的发动机需求扭矩加上LL；

4.2：若当前时刻的发动机需求扭矩减去上一时刻的发动机需求扭矩大于一定值hl，则当前时刻的发动机需求扭矩为上一时刻的发动机需求扭矩加上hl；

第五步，辅助电机与主驱动电机采用扭矩控制的方式，并分别计算其需求扭矩；

5.1：发动机需求转速由辅助电机通过PID控制的方法调节，辅助电机所需扭矩为下式所示，

n_{eng_req}为发动机需求转速，n_{eng_act}为发动机实际转速，将发动机需求转速与实际转速作差作为PID的输入，并与发动机传递到太阳轮上的转矩相加，即为辅助电机的需求转矩，k为行星排特征参数；

5.2：主驱动电机需求扭矩计算，行星排转矩满足下式：

T_s为太阳轮处的转矩，即为辅助电机的转矩，T_R为齿圈处的转矩，即为车轮处传递到传动轴处的转矩，T_C为行星架的转矩，即为发动机的转矩，k为行星排特征参数；

则主驱动电机的输出转矩由下式计算，为车轮处所需转矩减去发动机传递到传动轴处的转矩，

T_mg2为主驱动电机的转矩，T_{wh_r}为车轮处所需转矩，fd_rt为主减速比，T_e为发动机的转矩；

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

⑴将发动机控制分为动力性控制与经济性控制，在大扭矩需求起步工况下，由于车辆需求转矩很大，但需求功率小，因此采用动力性控制方法控制发动机，保证动力性，起步成功后，采用经济性控制方法控制发动机，减少燃油消耗；

⑵当车辆处于大扭矩需求起步工况下，控制发动机提供较大转矩，主驱动电机补足剩余所需整车需求转矩，保证了整车的动力性；

⑶当车辆大扭矩需求起步成功后，将发动机控制在最优工作曲线上，发动机提供的整车需求转矩不足部分由主驱动电机补充提供，提高车辆燃油经济性的同时保证动力性。

附图说明

图1为本发明实施例的行星式混合动力系统结构示意图。

图2为本发明实施例的行星混联式汽车能量管理控制方法流程图。

图3为本发明实施例的发动机动力性曲线。

图4为本发明实施例的发动机最优工作曲线。

图5为本发明实施例的控制结果曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种行星混联式汽车能量管理控制方法，基于一种行星式混合动力系统，如图1所示，包括发动机、辅助电机MG1、逆变器、动力电池、主驱动电机MG2、行星排PG1和系统输出轴；

发动机输出轴的右端与行星排PG1行星架的左端连接，辅助电机MG1空套在发动机输出轴左端，辅助电机MG1的左端与行星排PG1的右端连接，主驱动电机MG2与系统输出轴的左端连接；

辅助电机MG1、主驱动电机MG2分别通过三相高压电缆与逆变器连接，逆变器通过两条高压电缆与高压储能装置连接。

本发明所述的一种行星混联式汽车能量管理控制方法，如图2所示，其特征在于：

1、一种行星混联式汽车能量管理控制方法，包括以下步骤：

第一步，判断车辆所处工况并选取控制方式计算发动机工作点，

1.1：如果车速低于5km/h且加速踏板开度大于50％时，并且持续3s，则确定车辆处于大扭矩需求起步工况，并且主驱动电机的实际输出转矩不足以提供其所需转矩，则采取第二步中的动力性控制方式计算发动机工作点；

1.2：若上述判断条件不满足，即车辆不处于大扭矩需求起步工况，则采取第三步中的经济性控制方式计算发动机工作点；

第二步，采取动力性控制方式调节发动机工作点，

2.1：首先计算发动机驱动需求功率，发动机驱动需求功率为发动机实际转速与需求扭矩的乘积，车辆开始进入发动机动力性控制模式时，给发动机需求扭矩一定的初始值T_init为 50N*m，并随时间的增加而逐渐增大，从而求得发动机驱动需求功率，再加上给动力电池充电所需功率、摩擦功率与附件所需功率，即为发动机需求功率；

2.2：确定发动机动力性曲线，自变量为发动机需求转速，因变量为发动机需求功率，动力性曲线函数表达式形式如下式所示：

y＝slope*x+b

y为发动机需求功率，x为发动机需求转速，slope为斜率，b为截距；

由两点解得此方程，第一点为发动机怠速时，发动机扭矩为初始扭矩值50N*m，第二点为发动机达到2000rpm(可标定，即起步成功后的发动机转速)，发动机扭矩为此转速下发动机能输出的最大扭矩，由发动机转速乘以转矩得到发动机功率，求出两点后，解得上式中的 slope和b，求得的发动机动力性曲线如图3所示；

2.3：将2.1中求得的发动机需求功率，代入2.2中求得的动力性曲线函数表达式，如下式所示，求得发动机需求转速；

2.4：发动机需求扭矩由发动机需求功率除以发动机需求转速得到；

第三步，采取经济性控制方式调节发动机工作在最优工作曲线上，由主驱动电机补充不足的驱动转矩，保证车辆的经济性的同时兼顾动力性，具体包括：

3.1：确定发动机驱动需求功率，由车辆需求转矩乘以车轮轮速得到，再加上给动力电池充电所需功率、摩擦功率与附件所需功率，即为发动机需求功率；

3.2：确定发动机最优工作曲线，确定每个功率下发动机燃油消耗量最小的点对应的转速和转矩，如图4所示，已知发动机需求功率，可唯一确定转速，发动机最优工作曲线为功率与转速的关系曲线；

3.3：将3.1中计算得到的发动机需求功率由3.2中求得的发动机最优工作曲线确定发动机需求转速，进而确定发动机需求扭矩；

第四步，发动机采取扭矩控制方式，为防止发动机扭矩发生突变，在大扭矩需求起步工况下，发动机需求扭矩较大，当车辆起步成功后，将发动机控制在最优工作曲线上时，发动机需求扭矩会骤减，因此需对发动机的需求扭矩进行斜率限制，具体包括：

4.1：若当前时刻的发动机需求扭矩减去上一时刻的发动机需求扭矩小于一定值LL，则当前时刻的发动机需求扭矩为上一时刻的发动机需求扭矩加上LL；

4.2：若当前时刻的发动机需求扭矩减去上一时刻的发动机需求扭矩大于一定值hl，则当前时刻的发动机需求扭矩为上一时刻的发动机需求扭矩加上hl；

得到的发动机转矩控制效果图如图5所示；

第五步，辅助电机1与主驱动电机2采用扭矩控制的方式，并分别计算其需求扭矩；

5.1：发动机需求转速由辅助电机1通过PID控制的方法调节，辅助电机1所需扭矩为下式所示，

n_{eng_req}为发动机需求转速，n_{eng_act}为发动机实际转速，将发动机需求转速与实际转速作差作为PID的输入，并与发动机传递到太阳轮上的转矩相加，即为辅助电机1的需求转矩，k为行星排特征参数；

5.2：主驱动电机2需求扭矩计算，行星排转矩满足下式：

T_s为太阳轮处的转矩，即为辅助电机1的转矩，T_R为齿圈处的转矩，即为车轮处传递到传动轴处的转矩，T_C为行星架的转矩，即为发动机的转矩，k为行星排特征参数；

则主驱动电机的输出转矩由下式计算，为车轮处所需转矩减去发动机传递到传动轴处的转矩，

T_mg2为主驱动电机2的转矩，T_{wh_r}为车轮处所需转矩，fd_rt为主减速比，T_e为发动机的转矩。

Claims (1)

1.一种行星混联式汽车能量管理控制方法，包括以下步骤：

第一步，判断车辆所处工况并选取控制方式计算发动机工作点，

1.1：如果车速低于一标定阈值且加速踏板开度大于一标定阈值，并且持续一定的时间，则确定车辆处于大扭矩需求起步工况，并且主驱动电机的实际输出转矩不足以提供其所需转矩，则采取第二步中的动力性控制方式计算发动机工作点；

1.2：若上述判断条件不满足，即车辆不处于大扭矩需求起步工况，则采取第三步中的经济性控制方式计算发动机工作点；

第二步，采取动力性控制方式调节发动机工作点，

2.1：首先计算发动机驱动需求功率，发动机驱动需求功率为发动机实际转速与需求扭矩的乘积，车辆开始进入发动机动力性控制模式时，给发动机需求扭矩一定的初始值T_init，并随时间的增加而逐渐增大，从而求得发动机驱动需求功率，再加上给动力电池充电所需功率、摩擦功率与附件所需功率，即为发动机需求功率；

2.2：确定发动机动力性曲线，自变量为发动机需求转速，因变量为发动机需求功率，动力性曲线函数表达式形式如下式所示：

y＝slope*x+b

y为发动机需求功率，x为发动机需求转速，slope为斜率，b为截距；

由两点解得此方程，第一点为发动机怠速时，发动机扭矩为初始扭矩值T_init，第二点为发动机达到2000rpm，即发动机达到标定的起步成功后发动机转速，发动机扭矩为此转速下发动机能输出的最大扭矩，由发动机转速乘以转矩得到发动机功率，求出两点后，解得上式中的slope和b；

2.3：将2.1中求得的发动机需求功率，代入2.2中求得的动力性曲线函数表达式，如下式所示，求得发动机需求转速；

2.4：发动机需求扭矩由发动机需求功率除以发动机需求转速得到；

第三步，采取经济性控制方式调节发动机工作在最优工作曲线上，由主驱动电机补充不足的驱动转矩，保证车辆的经济性的同时兼顾动力性，具体包括：

3.1：确定发动机驱动需求功率，由车辆需求转矩乘以车轮轮速得到，再加上给动力电池充电所需功率、摩擦功率与附件所需功率，即为发动机需求功率；

3.2：确定发动机最优工作曲线，确定每个功率下发动机燃油消耗量最小的点对应的转速和转矩，已知发动机需求功率，可唯一确定转速，发动机最优工作曲线为功率与转速的关系曲线；

3.3：将3.1中计算得到的发动机需求功率由3.2中求得的发动机最优工作曲线确定发动机需求转速，进而确定发动机需求扭矩；

第四步，发动机采取扭矩控制方式，为防止发动机扭矩发生突变，在大扭矩需求起步工况下，发动机需求扭矩较大，当车辆起步成功后，将发动机控制在最优工作曲线上时，发动机需求扭矩会骤减，因此需对发动机的需求扭矩进行斜率限制，具体包括：

4.1：若当前时刻的发动机需求扭矩减去上一时刻的发动机需求扭矩小于一定值LL，则当前时刻的发动机需求扭矩为上一时刻的发动机需求扭矩加上LL；

4.2：若当前时刻的发动机需求扭矩减去上一时刻的发动机需求扭矩大于一定值hl，则当前时刻的发动机需求扭矩为上一时刻的发动机需求扭矩加上hl；

第五步，辅助电机与主驱动电机采用扭矩控制的方式，并分别计算其需求扭矩；

5.1：发动机需求转速由辅助电机通过PID控制的方法调节，辅助电机所需扭矩为下式所示，

n_{eng_req}为发动机需求转速，n_{eng_act}为发动机实际转速，T_e为发动机转矩，将发动机需求转速与实际转速作差作为PID的输入，并与发动机传递到太阳轮上的转矩相加，即为辅助电机的需求转矩，k为行星排特征参数；

5.2：主驱动电机需求扭矩计算，行星排转矩满足下式：

T_s为太阳轮处的转矩，即为辅助电机的转矩，T_R为齿圈处的转矩，即为车轮处传递到传动轴处的转矩，T_C为行星架的转矩，即为发动机的转矩，k为行星排特征参数；

则主驱动电机的输出转矩由下式计算，为车轮处所需转矩减去发动机传递到传动轴处的转矩，

T_mg2为主驱动电机的转矩，T_{wh_r}为车轮处所需转矩，fd_rt为主减速比，T_e为发动机的转矩，k为行星排特征参数。

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